基于角度自检测的复杂截面机器人焊接恒速控制

2022-03-24张江涛

新型工业化 2022年9期

张江涛

山西机电职业技术学院，山西长治，046011

0 引言

复杂截面机器人焊接是由机器人、电子、计算机、数控等技术支撑的一种新型技术形式。自20世纪60年代以来，复杂截面机器人焊接被用于工业生产。与传统手工生产相比，复杂截面机器人焊接不仅可以提高劳动生产率和劳动强度，还可以缩短产品改造升级的准备周期，提高焊接产品的效率和质量。在新时代，复杂截面机器人焊接在工业生产中的应用愈发深入，因此，有必要对复杂截面机器人焊接的控制方法进行综合优化[1]。

1 复杂截面机器人焊接的特点

随着复杂截面机器人焊接制造经验的逐渐丰富，复杂截面机器人焊接的工作将更加智能化。复杂截面机器人焊接的制造需要更精密的仪器和制造工艺，保证复杂截面机器人焊接的高质量成型，满足实际的工业需求。复杂截面机器人焊接能够稳定、重复地工作，这些智能化和人格化是通过人工智能技术实现的。复杂截面机器人焊接通过数据和智能将传统技术保留在机器中，人工智能技术在这一过程中发挥了重要作用[2]。人工智能技术可以看作是复杂截面机器人焊接研究的基本技能。

焊接自动化生产过程是由备料、加工、装配、焊接、调修、检验等组成的一个焊接产品生产自动化全过程。只有实现了这一全过程的机械化和自动化，才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。概括地说机器人自动焊与传统手工焊相比有如下特点：①稳定和提高焊接质量，较好的质量同一性；②生产效率高，可24小时连续生产；③改善劳动生产率，改善劳动环境；④降低了工人对手工焊接技能的要求。

2 角度自检测的复杂截面机器人焊接恒速控制缺陷

（1）褶皱是指焊缝表面颜色暗、不均匀的现象。起皱不仅影响焊缝的美观，而且降低了焊接接头的力学性能，主要是由于保护气体流量过大或焊缝过热引起的。

（2）焊偏是指熔化金属偏离焊道的一种现象。这是一种非常严重的焊接缺陷，主要是由于工件安装不准确、工装定位精度不够、焊接工序不合理等原因造成的。

（3）焊缝过宽是指焊缝金属的横截面积超过了标准规定的允许值。其主要原因是焊接工艺规范不合理或焊接接头不规范。

（4）卷边是在焊接过程中熔化的金属流向焊缝外未熔化的母材时形成的凸起。主要原因是焊接规范调整不当，焊接电流、焊接速度与摆动不匹配。

（5）焊边是指焊接电弧在角焊缝中熔化接头端面并形成焊缝金属的现象。主要是焊接速度过慢、摆动幅度过大等工艺规范不合理等原因造成的。

3 复杂截面机器人焊接的控制方法

3.1 机器人系统设置

作为复杂截面机器人焊接控制的基础，机器人系统的设置尤为关键。首先，需要系统地设置机器人自动操作、坐标系、参考位置等要素。坐标系统和参考位置的设计对复杂截面机器人焊接控制的精度有很大的影响。以坐标系设置为例，控制人员需要从关节坐标系、直角坐标系、机械接口坐标系、工具及用户坐标系等诸多层面进行控制，根据位置设计，确定机器人离开机床及周边设备后可以移动的安全控制。一般情况下，参考位置数为10个。I/O设置是机器人系统设置的重要组成部分，包括通用I/O、特殊I/O和I/O分配的系统设计。在I/O设置中，不仅要考虑机器人的I/O设置，还要协调外围设备I/O与操作面板I/O之间的关系。此外，I/O链路设备屏幕和I/O链路功能应得到系统控制。例如，在I/O链接设备单元中，必须在设备屏幕上设置必要的信号点[3]。一般情况下，输入和输出的最大数字信号点数可分别设计为256个。

3.2 程序构成控制

准确编写控制程序，可以为复杂截面机器人焊接控制功能的实现创造良好的条件。在机器人控制的管理程序中，控制水平应该注意以下内容：首先，项目信息的管理应确保所有控制信息的完整性，也就是说，复杂截面机器人焊接的控制程序不仅应该包括项目名称、程序注释和亚型，也包括组掩码、写保护、忽略暂停等内容。此外，在设计程序信息时还应考虑堆栈的大小。其次，在行号码、程序末尾记号及自变量控制中，应确保行号码自动插入到程序上所追加的各指令旁，即在删除指令，或将指令移动到程序中心的位置的情况下，程序将自动地重新赋予号码，使得最初一行始终为行1，第2行为行2。而在程序末尾记号管理中，应确保在程度到达最后一行时，朝向画面的下方移动。此外，应通过直接指定和间接指定来控制自变量之间的关联。最后，重视程序动作指令、码垛堆积指令、寄存器指令等要素的管理。如在动作指令管理中，应从动作类型、位置资料、移动速度、定位类型、附加指令等诸多层面进行管理；而在码垛堆积指令控制中，应按照B、BX、E、EX等模式的差异，选择不同的码垛路径堆积模式。此外，针对寄存器质量管理，应做好数值寄存、位置寄存、码垛寄存等大单元的指令处理，保证实际的处理效果。

3.3 创建和执行的创新

程序的生成和执行是复杂截面机器人焊接控制的核心环节。在程序创建方面，包括设计程序、上电上料、基本程序创建、修改程序、程序操作、后台编辑、特殊点检、其他编辑功能等多个环节。在实际管理中，控制人员应注重基本程序的创建与程序修改之间的联系。通常，在创建一个程序的过程中，需要记录具体的程序，然后修改标准动作的指令语句，并教出动作指令。在程序修改过程中，选择相应的修改程序后，应从动作、控制和编辑三个层面进行修改。该方案的实施直接关系到复杂截面机器人焊接的实际工作效率和质量。在实际实施中，应首先控制程序的停止和恢复，此功能一般通过紧急停机操作和按住键来实现。其次，在程序执行过程中，我们要做好启动程序后机器人动作的相关性，特别是暂停状态和启动度的相关性。此外，为了确保复杂截面机器人焊接机操作的高效率，还需要进行测试控制的程度，并进行手动操作控制机械手、I/O和其他单位结合测试结构，确保手动控制与自动运转的有效统一。

3.4 其他控制点

为了进一步提高复杂截面机器人焊接的控制效果，机器人在执行特定程序时，还需要进行多个单元的控制与协调，如状态显示、输入输出文件管理、指令应用、堆叠、教学挂件应用等，从而保证复杂截面机器人焊接处于最佳工作状态。此外，对于复杂截面机器人焊接的自动控制，需要从操作工、程序员、维修工程师、刀具、外围设备、机器人结构件、末端执行器、停止方法等多个环节对机器人进行安全管理，以确保工业生产的效率。

4 角度自检测的复杂截面机器人焊接恒速控制缺陷解决方案

以上列举的机器人焊接质量问题不仅影响焊接产品的使用性能和使用寿命，而且影响人身和财产安全。机械手在自动焊接过程中出现质量问题的原因是多方面的，我们将从人、料、法、环四个方面分析并制定解决方案[4]。

4.1 操作人员的因素（人）

直接参与机械手自动焊接的人是焊接机械手操作员。相同的设备，相同的产品，不同的操作人员焊接的产品质量不同。经过多年的现场实践经验和团队管理经验，作为一名焊接机械手操作人员，应该具备以下三项基本技能。①掌握MAG气体保护焊的操作技能。3～5年手工焊接经验；考取平对接焊和角接焊的欧洲焊接资质；具有高级工以上水平。②掌握焊接机械手的编程。自动焊接不同于手工焊接，手工焊接的质量取决于焊工自身的技能和工作条件，而自动焊接的焊接质量很大程度上取决于机械手焊接工艺的优劣。焊接程序是由一线操作人员编辑的，在机械手焊接过程中，操作人员必须根据焊接材料的变化对程序进行适当的调整。如果调整不及时，会出现各种质量问题。因此，作为一名焊接机械手操作人员，一定要掌握编程技能。③焊接机械手操作人员应懂得设备简单的维护。只有在正确使用和及时维护的前提下，才能保证设备的高利用率。在实际生产中，大型复杂截面机器人焊接系统通常采用三个转变，每日工作时间可达20多个小时，需要焊接机械手操作掌握“四个理解和四个技能”设备，了解性能、原理、结构、用途、操作，能够维护和排除故障。

4.2 原材料因素（材料）

焊接生产的原材料包括母材和焊材，是保证焊接产品质量的基础和前提。在送料前，必须对材料进行良好的检查，以稳定生产和焊接产品的质量。

（1）加工精度。尽量采用切削精度高的先进加工方法，如机械加工和激光切割，以及具有良好机械性能和材料性能的切口。避免火焰切割、剪切等方法。要求槽角和钝边厚度应均匀。

（2）装配精度。检查材料零件之间是否有间隙。一般间隙应在0～0.5mm之间，弯头处间隙应≤1mm。如果≥1mm，则需要手动启动。

（3）点固焊。点焊高度、长度是否按规范打磨。点焊过高会造成焊弧跟踪故障、成形不良、熔合不完全等焊接缺陷。点焊过低会在焊接过程中产生裂纹和开焊。

（4）焊接清理。检查焊缝周围是否有油渍、湿气、锈斑、探伤液等杂质，这些是影响焊接质量、造成气孔的主要原因。

4.3 焊接工艺因素法和工艺管理方法（法）

法是方法，上述分析的人、机、料，从形式上看是相对孤立的，是通过“法”的这个环节将人、机、料这三者联系在一起并环环相扣。焊接质量高度依赖于工艺方法，在影响焊接质量的各种因素中起着最重要的作用。工艺方法和工艺管理方法对焊接质量的影响主要来自三个方面：一是工艺制定的合理性；二是实施过程的严密性；三是焊接质量的追溯性。

（1）工艺制定的合理性。首先要考虑的问题是这个工件是否适合机械手自动焊接，要结合机械手自动焊接的特点：①燃弧时间长、辅助时间短的工件；②焊缝连续性较好，焊接起弧、收弧少的工件；③焊接顺序较复杂、工件翻转变化多的工件；④狭小空间、焊接位置遮挡视线的焊缝。

（2）实施过程的严密性。①要求各操作人员熟悉生产模型零件的工艺文件和技术要求，并按文件要求严格检查现场施工条件，如焊丝组成是否符合要求，焊接电流和焊接电压是否在指定范围内的文档，以及气体流量和预热温度是否应该把关流程文档，以便严格重复岗位职责和流程文件，每个员工应该清楚。②加强质量控制。充分发挥焊接主管的作用，认真跟踪各个工序和班次，杜绝现场违法操作，严格遵守现场质量管理红线。

（3）焊接质量的追溯性。影响焊接质量的因素很多，如操作工对来料质量的控制、焊接机械手的控制能力、焊接工艺的编制水平、焊接工艺的使用和管理方法、设备使用和管理职责等。自动焊接后的补焊和打磨会影响焊接质量。那么从源头和各个环节控制质量并落实责任就显得尤为重要。